（机械设计及理论专业论文）高硬齿面双圆弧齿轮滚刀的研究.pdf

型型! ! 燮里堕堕堡主堂垡堡壅 论文题目：高硬齿面双圆弧齿轮滚刀的研究 专业：机械设计及理论 研究生：李志胜( 签名)右专j 8 妾 指导教师：刘世军( 签名) 知垃 张廷健( 签名) 乌告艺缱 摘要 随着齿轮技术，特别是硬齿面齿轮技术的发展，双圆弧齿轮也必须向中硬 齿面和硬齿面齿轮发展。齿面渗碳淬火工艺是提高齿面硬度、提高承载能力 最有效的方法，是渐开线齿轮非常成熟的工艺，但因双圆弧齿轮廓形复杂， 硬化后缺少成本较低的精加工手段，所以一直未采用这种工艺。刮削方法是 克服上面难题的成本低、质量好、效率高的手段，适合我国国情。但是硬质 合金刮削滚刀的研制难度大是推广刮齿工艺的瓶颈，是当前迫切需要解决的 问题。很好地解决该问题将进一步提高双圆弧齿轮传动的承载能力和可靠性， 扩大其在工业中的应用范围，对双圆弧齿轮传动技术的发展具有积极的意义。 本论文正是基于上述情况开展对硬质合金刮削滚刀的研究的。本论文的 主要工作和创新点如下： 1 ) 根据空间双圆弧齿轮啮合原理，推出了法面双圆弧齿轮滚刀的前刀 面方程、滚刀铲背曲面方程、铲磨砂轮轴向廓形方程。 2 ) 首次推出了双圆弧齿轮滚刀重磨后基本蜗杆轴向廓形方程，并分析 了重磨后滚刀基本蜗杆轴向廓形的偏差。分析结果表明：用本文方法设计的 直槽刮削滚刀在重磨角小于6 。时都是精确的。 3 ) 利用功能强大的v i s u a lb a s i c6 0 在s o l i d w o r k s 2 0 0 3 中开发了可以计 算和绘制任意基本齿廓的双圆弧齿轮滚刀前刀面廓形和铲磨砂轮轴向廓形的 软件。该软件界面直观，操作简单，利用该软件可以直接制作检测任意参数 滚刀的前刀面廓形和砂轮轴向廓形的样板。 4 ) 根据双圆弧齿轮滚刀的铲背曲线方程和滚刀结构参数推导出了铲磨 滚刀时发生干涉的铲磨砂轮晟小外径d 一。和齿顶铲削超量的计算公式，并 塑丛塑塑婴壅堕堡主兰焦堡奎 根据算例分析了滚刀结构参数变化时对d 。及齿顶后角的影响。 5 ) 设计并制造了硬质合金双圆弧齿轮刮削滚刀和铲磨砂轮。对 m 。= 6 r a m 的刮削滚刀和淬火双圆弧齿轮进行了铲磨和刮削试验，试验验证了 理论分析的正确性。 关键词：双圆弧齿轮硬质合金硬齿面刮削滚刀铲磨砂轮轴向廓形 论文类型：应用基础 本文研究得到了科学技术部科研院所技术开发研究专项资金项目“新型高 参数双圆弧齿轮箱关键技术研究”( n c s t e - - 2 0 0 2 - - j k z x - - 1 0 8 ) 的资助。 i i 塑型垫塑婴茎堕堕主堂垡堡塞 s u b j e c t ：s t u d y o nh o bo fh i g hc a s e - h a r d e n e dd o u b l e c i r c u l a r - a r cg e a r s p e c i a l t y ： n a m e： d i r e c t e db y ： a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h e d e v e l o p m e n to fc a s e - h a r d e n e dg e a rt e c h n o l o g y , d o u b l e c i r c u l a r - a r cg e a rh a st ob et h ec a s e h a r d e n e dg e a r c a r b u r i z i n ga n dq u e n c h i n gi st h e m o s te f f e c t i v et e c h n i q u eo fi m p r o v i n gt h et o o t hf l a n kr i g i d i t ya n dl o a dc a p a c i t ya n d i sav e r ys o p h i s t i c a t e dt e c h n i q u et h a ti ss u i t a b l ef o ri n v o l u t eg e a r s b u td o u b l e c i r c u l a r - a r cg e a rd o e sn o ta d o p tt h i st e c h n i q u ea l lm o n gb e c a u s eo fi t sc o m p l i c a t e d t o o t hp r o f i l ea n dw i t h o u ta f i n i s h i n gm e t h o do fl o w e rc o s ta f t e ri tw a sc a r b u r i z e da n d q u e n c h e d s k i v i n gi s aw a yo fl o wc o s t ，g o o dq u a l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yt o o v e r c o m et h ea b o v ep r o b l e m i ti sd i f f i c u l tt op o p u l a r i z es k i v i n gt e c h n o l o g yd u et o t h eh a r ds t u d yo nc a r b i d es k i v i n gh o b o v e r c o m i n gt h ed i f f i c u l t yw e l lw i l le n h a n c e t h el o a dc a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo fd o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a ra n de n l a r g ei t sa p p l y i n g f i e l da n dh a sa c t i v es i g n i f i c a n c ef o r t h ed e v e l o p m e n to fd o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r t r a n s m i s s i o n b a s e do nt h ec a s e sa b o v e ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ec a r b i d es k i v i n gh o b t h e m a i nw o r k sa n dt h ec r e a t i v ei d e a sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ed o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a rs p a c em e s ht h e o r y , t h ee q u a t i o no f r a k ef a c e ，t h ee q u a t i o no fr e l i e ff l a n ko fd o u b l ec i r c u l a r a r cg e a rh o ba n dt h e e q u a t i o no f t h ea x i a lp r o f i l eo ft h er e l i e fg r i n d i n gw h e e la r ed e d u c e d 2 a f t e rt h er a k ef a c ei sr e g r o u n d ，t h ee q u a t i o no ft h et o o t hp r o f i l eo fd o u b l e c i r c u l a r - a r cg e a rb a s i cw o r mi sd e d u c e da n dt h ee r r o ro fd o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r i i i 郑州机械研究所硕士学位论文 b a s i cw o r n li sc o m p u t e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tw h e nt h er e g r i n d i n ga n g l ei s s m a l l e rt h a n6d e g r e et h es t r a i g h tf l u t es k i v i n gh o bw h i c hi sd e s i g n e dw i t ht h e m e t h o di nt h ed i s s e r t a t i o ni sq u a l i f i e d 3 b a s e do nt h ep o w e r f u lv i s u a lb a s i c6 0a n ds o l i d w o r k s 2 0 0 3 ，as o f t w a r ew h i c h c a nd r a wr a k ef a c et o o t hp r o f i l eo fd o u b l ec i r c u l a r - a mg e a rh o bo fa n yb a s i cr a c ka n d t h ea x i a lp r o f i l eo ft h er e l i e fg r i n d i n gw h e e li sd e v e l o p e d t h ei n t e r f a c eo ft h e s o f t w a r ei si n t u i t i o n a la n do p e r a t i o ni ss i m p l e w i t ht h es o f t w a r e ，at e m p l a t et h a tc a n d e t e c tt h er a k ef a c et o o t hp r o f i l eo fd o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a rh o ba n dt h ea x i a l - s e c t i o n p r o f i l eo ft h er e l i e fg r i n d i n gw h e e lc a nb em a d e 4 a c c o r d i n gt ot h er e l i e fc u r v ea n ds t r u c t u r ep a r a m e t e ro f d o u b l ec i r c u l a r - a r ch o b ， w h e ni n t e r f e r e n c eh a p p e n st h es m a l l e s tg r i n d i n gw h e e ld i a m e t e r - - l i 。i sd e d u c e d t h ee f f e c to fh o bs t r u c t u r ep a r a m e t e ro nd “ni sa n a l y z e d 5 t h ec a r b i d es k i v i n gh o ba n dr e l i e fg r i n d i n gw h e e lw e r ed e s i g n e da n dp r o d u c e d t h ee x p e r i m e n to fc a r b u r i z e da n dq u e n c h e dd o u b mc i r c u l a r - a mg e a ro f 一6 r a m w a sd o n ea n dt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i ca n a l y s i sw a s p r o v e d k e yw o r d s ：d o u b l ec i r c u l a r - a r cg e a r c a r b i d ec a s e h a r d e n e d s k i v i n g h o br e l i e fg r i n d i n gw h e e la x i a lp r o f i l e d i s s e r t a t i o nt y p e ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a l s t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h es p e c i a lp l a no fs c i e n t i f i ca c a d e m eo ft h e m i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a “s t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e n e ws t y l eh i g hp a r a m e t e rd o u b l e c i r c u l a r - a r cg e a rb o x ”( t h ei t e mn u m b e ri s n c s t e 一2 0 0 2 一j k z x 一1 0 8 ) i v 郑州机械研究所硕士学位论文 符号清单 滚刀法向模数 e 。 凸齿齿廓圆心移距量 卢滚刀分度圆上的螺旋角8 ， 凹齿齿廓圆心移距量 滚刀分度圆上的升角 乞 凸齿齿廓圆心偏移量 d 滚刀分度圆直径f ， 凹齿齿廓圆心偏移量 以滚刀外径 6 ， 凸齿工艺角 4 滚刀轴与砂轮轴距离6 ： 凹齿工艺角 p 滚刀螺旋参数 。 接触点到节线距离 y滚刀分度圆前角 滚刀重磨角 k 滚刀铲背量 磊滚刀容屑槽数 基本齿廓压力角 基本齿廓全齿高 h 。 基本齿廓齿顶高 ，基本齿廓齿根高 j 基本齿廓侧隙 以 凸齿齿廓圆弧半径 p ， 凹齿齿廓圆弧半径 i i 凸齿接触点齿厚 凹齿接触点齿槽宽 凹齿接触点齿厚 齿根圆弧半径 连接圆弧半径 凸齿连接点高 凹齿连接点 耻 咿 印 啊 0 咖 郑州机械研究所硕士学位论文 插图清单 图2 1 双圆弧齿轮基本齿廓l o 图2 2 滚刀前刀面示意图1 2 图2 3 径向铲磨时滚刀与铲磨砂轮相对位置关系图1 3 图2 4 滚刀重磨示意图2 1 图2 5 g l 点与g l b 点的相对位置示意图2 3 图2 6 截形偏差2 3 图2 7 直槽零前角滚刀偏差2 4 图2 8 直槽负前角滚刀偏差2 4 图2 9 头数不同直槽负前角滚刀偏差2 5 图2 1 0 分度圆半径不同的滚刀轴向截形偏差2 5 图3 一l 双圆弧齿轮基本齿廓2 7 图3 2 计算滚刀轴向廓形主窗体3 0 图3 3 读入数据后窗体3 l 图3 4 不同前角的双圆弧齿轮滚刀的前刀面廓形3 3 图3 5 滚刀三维造型图3 3 图3 6 计算砂轮轴向廓形主窗体3 5 图3 7 砂轮轴向廓形3 5 图3 8 滚刀齿顶前角不同时的砂轮轴向廓形3 6 图3 9 砂轮三维造型3 6 图4 一l 铲磨干涉校验解析法的计算原理示意图3 9 图4 2i 型齿背图4 0 图4 3 基本参数改变后d 。m 的变化情况4 6 图4 4 基本参数改变后口。的变化情况4 7 图5 一l 刀体端剖面牙型5 l 图5 2 刮前滚刀法向齿形5 5 图5 3 负前角滚刀切削齿轮5 5 图5 4 焊接结构5 6 图5 5 粘结结构5 6 图5 6 焊接刀片形状5 7 郏州机械研究所硕士学位论文 表3 一l 表4 一l 表4 2 表4 3 表4 4 表5 1 表5 2 表5 3 表格清单 g b l 2 7 5 9 1 9 9 1 双圆弧圆柱齿轮基本齿廓参数2 8 m = 8 的双圆弧齿轮滚刀结构参数及铲背量4 5 m = 1 0 的双圆弧齿轮滚刀结构参数及铲背量4 5 m = 8 的被铲磨双圆弧齿轮滚刀校验计算结果4 5 m = 1 0 的被铲磨双圆弧齿轮滚刀校验计算结果4 5 硬质合金滚刀主要结构参数5 2 刮削试验件的参数5 9 m = 6 硬质合金双圆弧齿轮刮削滚刀制造精度5 9 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的砑寥成果 也不包含为获得美坐龇堑窒压一或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。! 与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：瑶磊胜签字日期：沙艿年7 月髟目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑刿扭越盟窥压有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权塑划扭越班究逝可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 学位论文作者签名：穗i 多肚 导师签名 签字日期：哆年7 月彩日签字日期：阳琴年7 月衫日 f 郑州机械研究所硕士学位论文 第一章绪论 1 1 圆弧齿轮简介 1 1 _ 1 圆弧齿轮发展由来及简史 齿轮传动是现代机械传动中应用最广泛的一种传动形式。经过二百多年的 实践，渐开线齿轮由于中心距的可分性及制造、测量、安装方便等许多优点， 获得了广泛的应用和发展。直到如今，它仍是最主要的齿轮传动方式。但渐开 线齿轮传动也存在着下述缺点： ( 1 ) 渐开线齿轮两轮齿在节点处啮合时，两齿面之间的相对运动是纯滚 动。但啮合点离节点越远，则两啮合面之间的滑动速度也越大。这种滑动对于 齿面的磨损、发热、传动平稳性和效率以及使用寿命都很不利。因此，渐开线 齿轮滑动系数的大小要力求降低。 ( 2 ) 渐开线外啮合齿轮传动就是凸齿对凸齿的传动。从接触强度来看， 由于当量曲率半径较小，接触应力较大，承载能力受到限制。 随着生产和科学技术的发展，对高速、熏载、大功率的齿轮传动装置，提出 了更高的要求。圆弧齿轮就是适应生产和技术发展的需要而产生的。圆弧齿轮是 点啮合制齿轮传动，它将渐开线齿轮轮齿的凸面与凸面相接触，改变成凸面与凹 面相啮合，增大了当量曲率半径，提高了接触强度。 早在1 9 0 7 年英国人就提出了圆弧齿形的设想。1 9 2 2 年出现了凹凸齿啮合 的v b b 齿轮，但由于弯曲强度较弱易于折断而未得到应用。1 9 2 6 年美国格利 森( g l e a s a n ) 公司的瑞典人威尔德哈泊( e w i l d h a b e r ) 提出的法面为圆弧齿 廓的斜齿轮，并获得专利，但也未得到应用。1 9 5 6 年前苏联人诺维柯夫 ( m r l ho b 1 4n ob ) 提出了端面为圆弧齿廓的圆弧齿轮并对该齿轮作 了系统的理论分析和强度计算，为便于制造，建议采用法面为圆弧齿廓。其齿 形特点是凸齿齿廓的圆心位于齿条形刀具的节线上，啮合时位于节点上。凹齿 齿廓的半径稍大于凸齿齿廓半径一个p 值。这种齿制在前苏联的工业上得到 广泛应用，并制订了相应的标准，如roct1 5 0 3 2 7 6 双圆弧齿形标准。我 国现在制订的单双圆弧齿轮齿形标准都属于这种齿制。可以说威尔德哈泊和诺 维柯夫两人提出的齿形基本是一致的。为此，1 9 6 0 年在德国埃森( e s s e n ) 召 开的国际齿轮会议上把点啮合的圆弧齿轮命名为w i l d h a b e r n o v i k o v 齿轮， l 郑州机械研究所硕士学位论文 简称w n 齿轮。除前苏联外，东欧各国、日本、印度、埃及、英国等都在 研究圆弧齿轮，其中日本己制定出齿形和减速器系列标准，并有专业生产厂家。 时至今日，圆弧齿轮的发展，从齿形构思到广泛应用，整整跨越了一个世纪， 但真正的发展应用还是五十年代末到现在。 1 1 2 圆弧齿轮传动的特点 针对渐开线齿轮传动，圆弧齿轮传动具有以下特点： ( 1 ) 圆弧齿轮传动有很大的当量曲率半径，因此有很高的接触强度： ( 2 ) 非硬齿面的双圆弧齿轮，无论是按弯曲强度或按表面接触强度所计 算的承载能力，都高于相同材质、相同工艺和相同参数的渐开线齿轮； ( 3 ) 圆弧齿轮在理论上处于点接触状态，满载工作前应进行跑合； ( 4 ) 啮合过程中，两啮合齿面沿齿线方向相互滚动，接触点沿齿面间的 迁移速度很大，有利于在齿面问建立油膜，因此摩擦损耗小，效率高。 ( 5 ) 圆弧齿轮齿面间各点的相对滑动速度相同，齿面磨损小且均匀，具 有良好的跑合性。正常磨损后，齿面的粗糙度会降低，对传动质量有所改善； ( 6 ) 在圆弧齿轮传动中，中心距及切齿深度偏差引起齿高方向轮齿接触 位置变化，对承载能力影响较大，因此要严格控制中心距及切齿深度的公差要 求。 ( 7 ) 齿向偏差或轴向齿距偏差，对于渐开线齿轮来说，主要影响接触精 度。但对于圆弧齿轮，其作用犹如渐开线齿轮的基节偏差，会导致啮入和啮出 冲击。齿面波度、走刀刀痕波纹和表面粗糙度也是影响传动工作平稳性的重要 因素，它们是引起噪声中的高频成分的主要来源。 ( 8 ) 圆弧齿轮传动中，啮合点沿轴向移动，初始接触点在齿端，齿端是 薄弱环节。齿端修形有利于防止齿端崩角，减小啮入冲击，降低振动和噪声， 提高传动平稳性； ( 9 ) 圆弧齿轮制造工艺也在不断完善，相继开发了中硬齿面精滚齿、齿 面离子氮化和珩齿精整工艺。渗碳淬火硬齿面双圆弧齿轮制造技术在工程中的 应用越来越广泛，齿部最终加工工序是刮齿，加工效率高，成本低，应用范围 广。 1 2 圆弧齿轮在我国的发展和现状 2 郑州机械研究所硕士学位论文 我国从1 9 5 8 年开始研究和应用圆弧齿轮。1 9 5 9 年1 1 月和1 9 6 2 年1 2 月分别在洛阳和上海，由原一机部主持召开了两次全国圆弧齿轮技术会议，组 织研究和推广应用圆弧齿轮传动。1 9 6 7 年由机械科学研究院负责组织国内工 厂、高等院校先后制定出j b 9 2 9 6 7 ( 圆弧齿轮滚刀法面齿形1 标准和d 1 4 1 2 0 圆 弧圆柱齿轮减速器系列，以及高速圆弧齿轮增速器系列( 草案) 。时隔不到十年， 由郑州机械研究所负责于1 9 7 5 年制定了j b l 5 8 5 7 5 和j b l 5 8 6 7 5 圆弧齿轮减 速器标准，使我国圆弧齿轮走上了标准化系列化生产的轨道。 在7 0 年代以前，我国主要研究应用单圆弧齿轮。但是单圆弧齿轮有两个 缺陷：一是齿形限制，齿根弯曲强度略显不足；二是加工一对相啮合的齿轮需 要两把滚刀。为了进一步提高圆弧齿轮的弯曲强度，从1 9 6 7 年我国开始研究 双圆弧齿轮。由于双圆弧齿轮是由两段工作圆弧组成，节圆以上为凸弧，节圆 以内为凹弧，成倍地增加了瞬时啮合点数，降低了啮合点上的载荷，再由于齿 根厚度的增加，大大提高了轮齿的弯曲强度。与同材料、同工艺和同参数的单 圆弧齿轮相比，双圆弧齿轮的承载能力提高将近4 0 ，是一种很有发展前途 的传动形式。从8 0 年代后，我国就开始重点发展双圆弧齿轮。 到目前为止，圆弧齿轮在我国的研究和应用主要取得以下几方面成绩： 1 在基础理论和设计计算方面 先后进行了圆弧齿轮( 法面圆弧) 点啮合理论、承载能力计算方法、轮齿 受载变形及修形计算、弹流润滑分析、珩齿工艺机理、滚刀齿形设计与计算、 精度检测与测量尺寸计算、计算机辅助设计与工艺等项研究。 2 在圆弧齿轮的标准方面 在大量的试验和工业应用的基础上，制定了一整套圆弧齿轮的国家标准， 它们是： g b l 8 4 0 - - - 1 9 8 9 圆弧圆柱齿轮模数、g b l 2 7 5 9 - - 1 9 9 1 双圆弧圆柱齿轮基本 齿廓、g b t 1 3 7 9 9 - - - 1 9 9 2 双圆弧圆柱齿轮承载能力计算方法、g b , r i 1 4 3 4 8 1 1 9 9 3 双圆弧齿轮滚刀型式和尺寸、g b t 1 4 3 4 8 2 1 9 9 3 双圆弧齿轮滚刀技术 条件、g b t 1 5 7 5 2 - - 1 9 9 5 双圆弧圆柱齿轮基本术语、g b t 1 5 7 5 3 - - 1 9 9 5 圆弧 圆柱齿轮精度。 3 在加工工艺方面 1 ) 热加工工艺 3 郑州机械研究所硕士学位论文 主要是材料的调质工艺。8 0 年代前以软齿面为主，齿面硬度不大于 3 0 0 h b s 。8 0 年代后开始发展中硬齿面调质工艺，齿面硬度达3 5 0 h b s ，并且 逐渐替代了软齿面调质工艺。 齿面离子渗氮工艺，其特点是渗后轮齿变形小。离子渗氮分浅层( 0 5 r a m 左右) 渗氮和深层( 大于0 7 m m ) 渗氮两种，多用于高速重载齿轮传动( 为 避免“薄壳效应”，渗氮齿轮的基体调质硬度要求大于3 0 0 h b s ) 。齿面碳氮共 渗工艺，最好是离子碳氮共渗，其特点是变形小，可有效地提高齿面硬度、提 高承载能力。 齿面渗碳淬火工艺是提高齿面硬度、提高承载能力最有效的方法，是渐开 线齿轮非常成熟的工艺，但因双圆弧齿轮廓形复杂，硬化后缺少成本较低的精 加工手段，所以一直未采用这种工艺。后来由郑州机械研究所负责，与中信重 机公司、太原理工大学合作共同完成的机械工业技术发展基金项目渗碳硬化 双圆弧齿轮超硬加工技术研究，经过三年多的努力工作，解决了该课题进行 过程中的关键技术，研究出了硬齿丽双圆弧齿轮刮削加工的成套制造技术。 2 ) 冷加工工艺 主要指制齿工艺和齿面精整工艺。 最常用的制齿工艺是滚齿。而常用的齿端修形方法，无论是径向进刀法、 切向窜刀法和变挂轮法，也都是用滚齿法修形。 齿面精整加工工艺，主要指蜗杆状软砂轮珩齿工艺。这一工艺的特点主要 是降低齿面的粗糙度，可达r = o 。3 2 z m ，对齿向精度有所改善，可提高一级左 右，主要用于高速齿轮传动，是一项成熟工艺。为了改善齿面接触状况，可采 用粥状金剐砂研磨膏进行研齿( 磨齿) ，效果很好。 4 在滚切刀具方面 目前用得最多的是高速钢滚刀。为了滚切中硬齿面齿轮发展了钴高速钢滚 刀，有m 3 5 和m 4 2 两种牌号。这是美国钢铁学会的牌号。其对应关系为：高 速钢w 1 8 c r 4 v ( 美国牌号t 1 ) ，钴高速钢w 6 m 0 5 c r 4 v 2 c 0 5 ( 美国牌号m 3 5 ) ， w 2 m 0 9 c r 4 v 1 c 0 8 ( 美国牌号m 4 2 ) ，m 4 2 为高碳钻高速钢。m 3 5 与m 4 2 滚刀 的价格与高速钢滚刀比是成倍的关系，但性能好。 滚切中硬齿面齿轮，最经济的办法是采用t i n 涂层刀具，即在高速钢滚 刀切刃表面用p v d ( 物理气相沉积) 法涂上一层t i n 涂层，可提高切刃硬度 4 郑州机械研究所硕士学位论文 到h v 2 0 0 0 以上( 相当于8 0 8 5 h r c ) ，大大提高了滚刀的切削性能。涂层刀 具的使用寿命比原刀具一般可提高两倍左右。 镶片式和焊接式双圆弧齿轮硬质合金刮削滚刀的研制成功，标志着应用渗 碳淬火硬齿面双圆弧齿轮时代的开始，在圆弧齿轮发展史上具有重要的意义。 5 圆弧齿轮在我国的应用 圆弧齿轮在我国是边研究边工业产业化应用，即使在没有统一标准的情 况下，应用也十分广泛。主要应用在冶金轧钢、矿山运输、建材水泥、交通航 运、轻工榨糖、发电设备、采油炼油、化工化纤等行业。在低速传动中，应用 的最大模数是3 0 m m 的双圆弧齿轮，功率达到9 0 0 0 k w ；在高速传动中，最高线 速度达1 2 0 m s ，功率为3 0 0 0 k w , 其性能与磨齿的渐开线齿轮相当。 综上所述，从基础理论到实际应用，圆弧齿轮在我国已发展成为一种独立完 整的齿轮传动体系。 1 3 硬齿面双圆弧齿轮滚刀的研究现状 由于本论文研究的对象为高硬齿面双圆弧齿轮滚刀，所以下面重点介绍一下 有关硬齿面双圆弧齿轮加工和滚刀的研究现状。 由于双圆弧齿轮和相同材质、相同工艺和相同参数的渐开线凌轮相比有许 多优势，所以从7 0 年代中后期起，国内许多单位和学者对双圆弧齿轮作了大 量的研究工作，得出了很多具有实用价值的结果。其中对中硬齿面双圆弧齿轮 研究工作的主要内容如下： 1 滚刀齿形精确计算 沈阳大学的吴洁等通过对圆弧齿轮达不到理想跑合状态的分析，发现 了圆弧齿轮的制造齿形误差是影响其跑合性能的因素之一，要消除此误差在设 计圆弧齿轮滚刀时必须运用空间啮合原理，从建立基本齿条与滚刀基本蜗杆的 啮合入手，通过解析计算求出滚刀基本蜗杆齿面方程。用此滚刀加工圆弧齿轮， 可消除制造齿形误差，提高齿轮的跑合性能，为工程实际提供理论依据。 重庆大学的陈远志等”以部标j b 2 9 4 0 8 1 所规定的基准齿形为双圆弧齿轮 的法面齿形，根据啮合原理，推导出双圆弧齿轮滚刀的齿面方程式，在此基础 上利用c 语言编程对双圆弧齿轮滚刀的齿形进行精确计算。 太原理工大学的段德荣“通过对磨前双圆弧齿轮基本齿廓的讨论，根据包 5 郑州机械研究所硕士学位论文 络原理提出磨前双圆弧齿轮滚刀前刀面齿形的计算方法，并给出实例进行验 证。 2 硬齿面双圆弧齿轮加工技术 在8 0 年代中期，郑州机械研究所研究出一套中硬齿面精滚齿、齿面离子 氮化和齿面珩齿精整加工技术，使高速双圆弧齿轮的承载能力和传动品质达到 同级渗碳淬火磨齿渐开线齿轮的水平。 郑州机械研究所、太原理工大学和中信重型机械公司根据机械工业技术发 展基金委员会于1 9 9 6 年设立的渗碳硬化双圆弧齿轮超硬加工技术研究一 项基金课题，对渗碳淬火硬齿面双圆弧齿轮成套制造技术进行研究。经过三年 多的努力工作，解决了该课题进行过程中的关键技术，研究出了硬齿面双圆弧 齿轮刮削加工的成套制造技术。这项研究的成功进一步提高双圆弧齿轮传动的 承载能力和可靠性，扩大其在工业中的应用范围，对双圆弧齿轮传动技术的发 展具有积极的意义。 郑州机械研究所的陶冶，崔为民，陈渊，周明英等”使用硬质合金刮削滚 刀，应用正交试验法，对渗碳淬火双圆弧齿轮( 齿面硬度5 8 h r c 6 2 h r c ) 进 行了刮削加工工艺试验研究。推荐了适用的刮削工艺规范。采用此规范加工的 齿轮在工业现场应用良好。 郑州机械研究所的崔为民，姚兰等“”阐述了滚切中硬齿面高速双圆弧齿轮 时进行精度控制应注意的几个环节，并简述了实际加工中的经验。 太原理工大学的秦旭平“”介绍了渗碳硬齿面双圆弧齿轮超硬加工技术。应 用这项技术加工的硬齿面双圆弧齿轮，其承载能力与相同规格的硬齿面渐开线 齿轮相当。 太原理工大学的秦旭平等8 。对刮削加工的硬齿面双圆弧齿轮和磨削加工 的硬齿面渐开线齿轮( 两齿轮的材质和基本参数都相同) 承载能力对比试验进 行了全面叙述，并对试验结果进行了分析。试验表明，刮削硬齿面双圆弧齿轮 在承载能力、传动平稳性和动态特性等方面能够满足对硬齿面齿轮传动的设计 要求。经过跑合和一段时间的承载磨合运行，齿面接触会越来越好，其传动性 能优于渐开线齿轮传动。 祁肃郎4 ”通过多年实践，对圆弧齿轮滚切加工过程进行了较深的探讨，提 出了他的见解，并指出了实际与理论相矛盾的症结所在a 6 郑州机械研究所硕士学位论文 3 滚刀精密铲磨方法 由于阿氏滚刀与双圆弧齿轮滚刀只是刀齿形状不同，而铲磨原理相同，研 究阿氏齿轮滚刀铲磨方法的文献同样适用于研究圆弧齿轮滚刀的铲磨，所以有 必要把国内一些关于阿氏齿轮滚刀铲磨方法的研究成果介绍一下。 大连理工大学的孙玉文，王晓明等”应用盏轮滚刀的偏置构形原理，提出 了齿轮滚刀齿侧面精密铲磨的一种新方法，并用算例验证了模型的可靠性，为 制造高精度滚刀提供了可靠的理论依据。 东北大学杜立群等推导了渐开线蜗轮滚刀径向铲磨的齿侧面方程，提出 了直线修正逼近砂轮廓形的数值计算方法，建立了砂轮廓形方程式。应用该方 法计算了铲磨渐开线蜗轮滚刀在其各截面上的齿形误差。 西安交通大学的聂钢等。2 6 1 提出了一种以解析方式确定铲齿成形刀具齿 顶铲磨长度的新方法，可以明显提高刀具设计的精度、效率和经济性，有助于 优化刀具设计和制造过程。此外，根据两种不同的齿背提出了齿顶铲磨长度的 控制方法，即l 型齿背可以通过改变齿顶铲削超量而任意变化，l i 型齿背则只 能通过修改铲齿凸轮廓形而变化。 4 。滚刀铲磨砂轮廓形计算方法 太原理工大学的韩振南等“”论述了硬齿面双圆弧齿轮滚刀的结构特点，从 双圆弧齿轮滚乃的基本蜗杆齿面方程出发，利用啮合原理推导出具有直槽负前 角的滚刀的前刀面齿形计算公式和铲背曲面方程；再利用铲背曲面和铲磨运动 的关系求出铲磨滚刀的砂轮轴向截形，并给出了负前角双圆弧滚刀铲磨砂轮截 面的具体算例。 中南大学刘鹊然1 2 5 1 提出了用普通圆柱砂轮磨削轴截面为曲线的金刚砂轮 的加工原理和计算方法。 甘肃工业大学的姚运萍，陈惠贤m 删论述了用计算机辅助设计的方法计算 铲磨砂轮截形，用数控砂轮修形系统修整砂轮形状，这种方法满足了加工高精 度铲齿成形铣刀的需要。 孙玉文，刘键删在建立通用数学模型的基础上，以刀具齿形重磨精度为砂 轮修形评价指标，对采用椭圆修形砂轮铲磨阿氏滚刀齿侧面的过程进行了成功 的数值模拟，获得了具有工程应用价值的数值计算结果，并讨论了不同的砂轮 修形误差曲线对滚刀重磨精度的影响。 7 郑州机械研究所硕士学位论文 5 双圆弧硬质合金刮刀制造 中信重机公司的张邦栋等”1 对硬齿面双圆弧齿轮刮前滚刀和硬质合金刮 削滚刀的制造试验进行了较详细的研究，为我国制造渗碳淬火双圆弧齿轮作了 有益的探索。还有中信重机公司的申明付等”结合生产实践，介绍了硬质合金 滚刀的设计与制造工艺，提出了滚刀各参数的选取原则。 1 4 论文研究背景及意义 由于双圆弧齿轮制造成本相对较低、承载能力高，使用寿命较长等优点， 使得它在我国工业中的应用越来越广泛。随着现代工业的发展，对齿轮传动机 构的要求是高速重载或低速重载、高寿命，小体积。提高齿面硬度是实现上述 目标的有效途径。但是，渗碳淬火硬齿面双圆弧齿轮缺少成本较低的精加工手 段。刮削方法是克服上面难题的有效方法之，但是硬质合金刮削滚刀的研制 难度大是推广刮齿工艺的瓶颈，是当前迫切需要解决的问题。到目前为止，国 内对软齿面和中硬齿面双圆弧齿轮的研究和应用较多，而对商硬齿面渗碳双圆 弧齿轮的研究和应用还是较少的，对渗碳淬火双圆弧齿轮刮削滚刀的研究也不 多。国内对铲磨砂轮廓形的研究成果有不少3 2 1 ，但大多数都是对不很复杂的 铣刀的铲磨砂轮或渐开线齿轮滚刀的铲磨砂轮的研究，对双圆弧滚刀的铲磨砂 轮的研究甚少。 中硬齿面双圆弧齿轮滚刀采用零前角，刀具标准g b t 1 4 3 4 8 1 9 3 已经 给出了滚刀轴向廓形精确坐标。铲磨砂轮采用这个标准中的滚刀轴向齿廓坐标 所铲出的滚刀前刀面的齿廓误差已经能保证滚刀精度。对于高硬齿面双圆弧齿 轮刮削滚刀而言，采用负前角后，在铲磨过程中不能采用投影仪检查滚刀前刀 面齿廓。虽然可以计算出负前角滚刀的前刀面齿廓的坐标，但是砂轮轴向廓形 采用这样的坐标能否保证铲磨出的滚刀前刀面的齿廓精度目前还是未知情况。 用啮合原理推出的砂轮轴向廓形可以从理论上保证刮削滚刀前刀面齿廓的正 确性，进而保证滚刀前刀面的精度。所以有必要从理论上对负前角双圆弧齿轮 滚刀的铲磨砂轮轴向廓形进行深入研究，从而为负前角双圆弧齿轮滚刀铲磨砂 轮的制造提供理论指导。 根据空间双圆弧齿轮啮合原理、双圆弧齿轮滚刀基本蜗杆齿面方程和铲磨 时滚刀与铲磨砂轮的相对运动关系来求铲磨砂轮的轴向廓形。使重磨后的滚刀 8 郑州机械研究所硕士学位论文 _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ - _ ，_ - 一 5 双圆弧硬质合金刮刀制造 中信莺机公司的张邦栋等”“对硬齿面双圆弧齿轮刮前滚刀和硬质合金刮 削滚刀的制造试验进行了较详细的研究，为我国制造渗碳淬火双圆弧齿- i 呛 1 1 2 7 有益的探索。还有中信重机公司的申明付等9 ”结合生产实践，介绍了硬质合金 滚刀的设计与制造工艺，提出r 滚刀各参数的选取原则。 1 4 论文研究背景及意义 由于双圆弧齿轮制造成本相对较低、承载能力高，使用寿命较长等优点， 使得它在我国工业中的应用越来憨广泛。随着现代工业的发展，对齿轮传动机 构的要求是高速重载或低速重载、高寿命，小体积。提高齿面硬度是实现上述 目标的有效途径。但是，渗碳淬火硬齿面双圆弧齿轮缺少成本较低的精加工手 段。刮削方法是克服上面难题的有效方法之一，但是硬质合金刮削滚刀的研制 难度大是推广刮齿工艺的瓶颈，是当前迫切需要解决的问题。到目前为l t ，国 内对软齿面和中硬齿面双圆弧齿轮的研究和应用较多，而对高硬齿面渗碳双圆 弧齿轮的研究和应用还是较少的，对渗碳淬火双圆弧齿轮刮削滚刀的研究也不 多。国内对铲磨砂轮廓形的研究成果有不少”1 ，但大多数都是对不根复杂的 铣刀的铲磨砂轮或渐开线齿轮滚刀的铲磨砂轮的研究，对双圆弧滚刀的铲磨砂 轮的研究甚少。 中硬齿面双圆弧齿轮滚刀采用零前角，刀具标准g b t 1 4 3 4 8 1 9 3 已经 给出了滚刀轴向廓形精确坐标。铲磨砂轮采用这个标准中的滚刀轴向齿廓坐标 所铲出的滚刀前刀面的齿廓误差已经能保证滚刀孝胄度。对于高硬齿面双圆弧齿 轮刮削滚刀而言，采用负前角后，在铲磨过程中不能采用投影仪检查滚刀前刀 面齿廓。虽然可以计算出负前角滚刀的前刀面齿廓的坐标，但是砂轮轴向廓形 采用这样的坐标能否保证铲磨出的滚刀前刀面的齿廓精度目前还是未知情况。 用啮合原理推出的砂轮轴向廓形可以从理论上保证刮削滚刀前刀面齿廓的正 确性进而保证滚刀前刀面的精度。所以有必要从理论上对负前角双圆弧齿轮 滚刀的铲磨砂轮轴向廓形进行深入研究，从而为负前角双圆弧齿轮滚刀铲磨砂 轮的制造提供理论指导。 根据空间双圆弧齿轮啮合原理、双圆弧齿轮滚刀基本蜗杆齿面方程和铲磨 时滚刀与铲磨砂轮的相对运动关系来求铲磨砂轮的轴向廓形，使重磨后的滚刀 时滚刀与铲磨砂轮的相对运动关系来求铲磨砂轮的袖向廓形，使重磨后的滚刀 8 郑州机械研究所硕士学位论文 基本蜗杆轴向截形的误差在双圆弧齿轮滚刀公差范围内；根据生产实际设计刮 刀参数，刮齿工艺，制造刮刀，进行刮齿试验，寻求降低高硬齿面双圆弧齿轮 加工成本的有效方法，从而提高双圆弧齿轮产品在市场的占有率。 1 5 论文的主要研究工作 采取理论与实践结合的原则，先计算出滚刀前刀面齿形、根据铲磨时滚刀 与砂轮的相对运动关系求出铲磨砂轮轴向廓形和滚刀铲背曲面方程，并根据不 同重磨量计算滚刀重磨后的精度，然后做铲磨试验。检测滚刀齿形是否合格， 最后做刮削试验并对齿轮进行检测。论文的主要研究工作如下： 1 ) 以g b t 1 2 7 5 9 1 9 9 1 双圆弧圆柱齿轮基本齿廓为基础，根据空间双圆 弧齿轮啮合原理求出任意前角的双圆弧齿轮刮刀的前刀面齿形。用二维绘图软 件( 如a u t o c a d ) 绘出该图形，并进行相关分析；设计刮刀参数，用三维绘 图软件( 如s o l i d w o r k s ) 建立刮刀实体模型，为后续处理做好准备。 2 ) 根据圆弧齿轮刮刀设计的两个基本要求，利用滚刀前刀面刀刃方程和 铲磨运动的关系求出铲磨砂轮轴向截形，编程绘出砂轮轴向廓形图并输出砂轮 轴向廓形上点的坐标值，然后做出砂轮的三维造型。 3 ) 计算滚刀铲背曲面方程并根据不同重磨量求解滚刀基本蜗杆轴向截形 偏差；分析滚刀各参数对滚刀基本蜗杆轴向截形偏差的影响。 4 ) 计算双圆弧齿轮滚刀铲磨时的干涉条件，分析滚刀各参数对发生铲磨 干涉时的砂轮最小半径和滚刀齿顶后角的影响情况：之后根据干涉条件确定滚 刀参数的选择原则。 5 ) 根据试验要求和试验条件设计制造双圆弧齿轮滚刀。考虑滚刀使用场 合、使用寿命和现有生产条件，根据生产实际中的径向铲磨方法制定滚刀铲磨 工艺，使滚刀铲磨高效准确，滚刀经济耐用。 6 ) 在完成前面几项工作的基础上，制定试验方案，进行高硬齿面双圆弧 齿轮刮刀刮削齿轮的试验。对试验结果进行分析，检验所加工的齿轮是否合格。 9 1 0 1 0 郑州机械研究所硕士学位论文 i x t = p s i n a + e + r